การใช้งานเซนเซอร์วัดแก๊ส CO2 ด้วย MQ135

การใช้งานเซนเซอร์วัดแก๊ส CO2 ด้วย MQ135

เซนเซอร์ MQ135 เป็นเซนเซอร์ใช้หลักการนำกระแสของวัสดุแคสซิเทอไรต์  SnO₂ ซึ่งนำกระแสได้ต่ำในอากาศที่บริสุทธิ์แต่นำกระแสได้ดีในอากาศที่มีมลพิษ ซึ่งทำให้เรานำคุณสมบัตินี้มาทำวงจรสำหรับตอบสนองต่อคุณภาพอากาศได้

โดย MQ135 มีการตอบสนองอย่างมากกับแก๊สแอมโมเนีย ซัลไฟด์ แก๊สตระกูลเบนซีน และใน Datasheet ยังระบุว่าตรวจจับควันและแก๊สพิษอื่น ๆ ได้เช่นกัน (ซึ่งอาจไม่มี Data ให้ ต้องไปลองเอง?)

 
(Datasheet : https://www.winsen-sensor.com/d/files/PDF/Semiconductor%20Gas%20Sensor/MQ135%20(Ver1.4)%20-%20Manual.pdf)

เซนเซอร์ตัวนี้ผู้ผลิตเครมว่านอกจากตรวจจับแก๊สพิษได้หลายชนิดแล้ว ยังมีอายุการใช้งานยาวนานเทียบกับราคาแสนต่ำ มักใช้ในงานประเภทการตรวจจับแจ้งเตือนในอาคาร หรือแบบพกพา

ทำความเข้าใจพารามิเตอร์และวงจรต่าง ๆ ในเซนเซอร์

พารามิเตอร์

วงจร

มาเริ่มที่วงจร (มาจาก Datasheet) แสดงวิธีการนำคุณสมบัติของเซนเซอร์มาใช้ โดยการกระตุ้นด้วยแรงดัน V_H ซึ่งเป็นแรงดันที่ใช้ในการสร้างความร้อนให้เซนเซอร์เพื่อรักษาคุณสมบัติของการตอบสนองต่อแก๊สไว้ โดย Datasheet ระบุว่ามีการ Preheat เป็นระยะเวลา 48 ชั่วโมง

เมื่อเซนเซอร์อยู่ในสถานะร้อนพร้อมใช้งาน จากวงจรจะเห็นพารามิเตอร์แรงดันอีกตัวเรียกว่าแรงดัน Loop voltage V_c

แรงดันนี้ใช้ในการปล่อยแรงดันให้ตกคร่อมเซนเซอร์(ที่ทำตัวเสมือนตัวต้านทานที่แปรตามมลพิษในอากาศ ซึ่งแรงดันนี้จะต้องไม่เกิน 24V แต่ในตัวอย่างวงจรเราจะเห็นว่าข้อมูลที่ได้ใน Datasheet หลังจากนี้ (ผลการทดลอง) จะใช้แรงดัน 5V เท่ากับแรงดัน V_H  แต่ให้เข้าใจว่าเป็นคนละตัวกัน และไม่จำเป็นต้องมีค่าเท่ากัน

เมื่อมีการปล่อยแรงดันให้ตกคร่อมเซนเซอร์ จะมีกระแสไหลผ่านเซนเซอร์จำนวนมากหากความต้านทานที่เกิดขึ้นบนตัวเซนเซอร์มีค่าต่ำ จึงต้องมีการลิมิตกระแสไว้ด้วยตัวต้านทาน R_L ซึ่งเราจะวัดแรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานนี้ เพราะแรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานนี้แปรผันตรงกับกระแสที่ไหลผ่านตัวเซนเซอร์ และแปรผกผันกับตัวต้านทานที่เกิดขึ้นบนตัวเซนเซอร์ และแปรผันตรงกับปริมาณแก๊สพิษในอากาศดังความสัมพันธ์ด้านล่าง

V_RL  ∝ กระแสผ่านเซนเซอร์ ∝  ประมาณ ppm อากาศเป็นพิษ

โดยผลการทดลองที่ให้มากับ Datasheet ทำให้เราทราบการตอบสนองกับแก๊สชนิดต่าง ๆ 4 ตัว ประกอบด้วย แก๊ส H₂ , อากาศ, แอมโมเนีย และโทลูอีน ดังรูป

โดยกราฟแกน x คือความเข้มข้นของแก๊ส และแกน Y คือค่าอัตราส่วน Rs/Ro ซึ่ง Rs คือความต้านทานของเซนเซอร์ตอนวัดแก๊สพิษ และ Ro คือความต้านทานเมื่อวัดในอากาศบริสุทธิ์

(ซึ่งจากผลการทดลองที่เกิดขึ้นใน Datasheet จะถูกวัดโดยทำในอุณหภูมิห้องที่ 20 องศาเซลเซียส  และความชื้นในอากาศ 55% ดังนั้นถ้าเราคาดหวังให้เซนเซอร์ตัวนี้ให้ค่า ppm ตามกราฟ เราต้องพิจารณาค่าเหล่านี้ด้วย)

การนำไปใช้งานกับ Microcontroller

เมื่อพิจารณาการนำมาใช้งานจริงจากข้อมูลด้านบนเป็นข้อมูลที่วัดบนตัวเซนเซอร์โดยตรง หากเราใช้โมดูลที่เป็นโมดูลพร้อม PCB แบบพร้อมใช้งาน เราจำเป็นต้องทำความเข้าใจวงจรที่สอดคล้องกันกับที่วางขาย ซึ่งมักจะเป็นไปตาม schematic ด้านล่าง (1)

จาก Schematic จะเห็นว่าส่วนของเซนเซอร์ (ไฮไลท์สีเขียว) จะเหมือนที่เราอธิบายไปข้างต้น โดยมีส่วนของ V_H และ V_L จะถูกใช้เป็น VCC บนตัวโมดูล และ V_RL จะถูกดึงไปออกทางพอร์ตเป็นชื่อ AOUT  แต่ในส่วนของวงจรทางซีกขวา (ไฮไลท์สีแดง) จะเป็นส่วนการเทียบแรงดันให้ออกเป็นสัญญาณ Digital นั้นเราจะไม่ให้ความสนใจในส่วนนี้

ส่วนที่สำคัญที่สุดในวงจรนี้คือส่วน R_L ซึ่งใน Datasheet ระบุว่าควรมีค่าอยู่ระหว่าง 10KΩ  - 47KΩ  โดย Datasheet ให้คำแนะนำว่า ต้อง calibrate ค่า NH₃ 100ppm หรือ แอลกอฮอร์ 50ppm แล้วนำค่า R_L ที่วัดได้มาใช้เพื่อให้สอดคล้องกับ Datasheet ซึ่งจะวัดได้ค่าราว ๆ 20KΩ แต่จาก (1) ระบุว่าใน PCB ใส่ค่ามาให้แค่ 1KΩ  ตามรูปด้านล่าง

โดยในกรณีนี้จะยกตัวอย่างการวัดแก๊สที่มักนิยมซื้อเซนเซอร์ตัวนี้ไปวัดกันนั่นคือ CO2

ขั้นตอนที่ 1

ต้องเปลี่ยนค่าตัวต้านทาน RL ให้เหมาะสมกับการใช้วัด CO2 โดยต้องเปลี่ยนตัวต้านทานตัวนี้เป็น 22KΩ ตาม (1)

ขั้นตอนที่ 2

ดาวน์โหลด  Library https://github.com/GeorgK/MQ135

ขั้นตอนที่ 3

ให้อัพโหลดโค้ดด้านล่างเพื่ออ่านค่า R₀  โดยเปิดทิ้งไว้นานกว่า 24 ชั่วโมง เพื่อรอให้เซนเซอร์ร้อนได้ที่ก่อน จึงอ่านค่าล่าสุดหลังเวลาดังกล่าว สมมติได้ 8965.1 Ohm

ขั้นตอนที่ 4

นำค่า R₀ ที่ได้ใส่ใน Documents > Arduino > libraries > MQ135-master > MQ135.h ตรงส่วนของ RLOAD และ RZERO  ดังนี้

จากนั้นเลื่อนลงมาจะเจอพารามิเตอร์อีกตัวชื่อ ATMOCO2 ให้เราแก้จาก 397.13 เป็น 419 ซึ่งเป็นค่า CO2 ในชั้นบรรยากาศปัจจุบัน (2)

///Atmospheric CO2 level for calibration purposes

#define ATMOCO2 419.0

ขั้นตอนที่ 5
เปิดไฟล์  Documents > Arduino > libraries > MQ135-master > MQ135.cpp 
แก้ไขสมการคำนวณตัวต้านทานเป็นดังด้านล่าง

float MQ135::getResistance() {
int val = analogRead(_pin);
return ((1023./(float)val) - 1.)*RLOAD;
}

ขั้นตอนที่ 6

ให้อัพโหลดตัวอย่างโปรแกรมข้างล่าง เท่านี้เราจะได้ค่า CO2 เป็นหน่วย ppm มาแล้วครับ

แต่ !!! อย่าลืมว่าในอากาศประกอบไปด้วยแก๊สหลายชนิด เราไม่อาจทราบได้จริง  ๆ ว่า ณเวลานั้นเรากำลังวัดแก๊สอะไรอยู่กันแน่ ค่าที่ออกมาก็จะเป็นค่าผสมกันระหว่างแก๊สเหล่านั้น ทำให้ผลผิดเพี้ยนไปเลยก็ได้ รวมไปถึงค่าตัวแปรที่ Library ใช้มาคำนวณ ก็อิงจากสถานการณ์ที่คงที่เช่น ความชื้น อุณหภูมิ ซึ่งข้อมูลเหล่านี้ไม่เคยคงที่ในสถานการณ์จริง ๆ ดังนั้นค่าที่ได้ควรใช้เป็นค่า relative กับแก๊ส clean air จะดีที่สุด ไม่ควรไปเรียกว่ามันคือ CO2 กี่ ppm ถ้าเราไม่ได้ทราบว่าแก๊สที่เรากำลังวัดมีแต่ CO2 ที่ตอบสนองกับตัวเซนเซอร์จริง ๆ (3)

ธนบดี บุหลันศรีชาติ

ModuleMore.com

Reference

(1)       https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/interfacing-mq135-gas-sensor-with-arduino-to-measure-co2-levels-in-ppm

(2)      https://www.co2levels.org/

(3)      https://emariete.com/en/meter-co2-sensor-mq-135/